WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Модель трехэлектродной термоэмиссионной электронной пушки получена экспериментальным путем. Результаты проведенных исследований на модели в диапазоне ускоряющих напряжений 30 – 60 кВ, при токе накала 0 – 17 А и напряжении смещения 0 – 2 кВ соответствуют экспериментальным данным с точностью, не превышающей погрешность измерительных приборов. Для сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными на рис. 3 жирными линиями обозначены вольтамперные характеристики, полученные экспериментально в гл.4.

а б

Рис. 3. Зависимости тока электронного пучка Iп от ускоряющего напряжения Uу и напряжения управляющий электрод-катод Uуэ-к (напряжения смещения), полученная с помощью модели при токах накала 16 А (а) и 14 А (б)

Модель составлена на основе экспериментально полученной вольтамперной характеристики, снятой при ускоряющем напряжении 30 кВ, представленной функцией F1(Uс’). При изменении управляющих воздействий – ускоряющего напряжения Uу, напряжения смещения Uс и тока накала катода Iн необходимо вносить соответствующие поправки для вычисления значения тока электронного пучка (луча) Iп. Для этого в систему введены нелинейные поправочные функции F2(Uу) и F3(Uy).

Получена модель объекта нагрева, плавления и испарения металла (сварочной ванны) под действием электронного луча. Выходной величиной для рассматриваемого объекта является ток, проходящий через деталь. Объект включает в себя процессы преобразования энергии ускоренных электронов в тепловую энергию при их торможении в металле. Скорость нагрева будет зависеть от целого ряда параметров, таких как материал и размеры детали, скорость отвода тепла от детали, глубина проникновения электронов и т.п. При нагреве выше температуры плавления образуется жидкая ванна металла. Расплавленный металл является источником электронов, что объясняется механизмом термоэлектронной эмиссии. При более продолжительном воздействии луча металл начинает интенсивно испаряться, и мощность луча частично рассеивается парами. При достаточной мощности источника нагрева возникает автоколебательный процесс рассеяния энергии электронов парами металла. Все описанные процессы оказывают влияние на временную зависимость сигнала тока, проходящего через детали. Установлено, что уменьшение сигнала тока Iм* при воздействии электронного луча на образец связано с увеличением тока термоэлектронной эмиссии, являющегося функцией температуры. Проанализированы причины появления переменных составляющих в сигнале Iм*.

На основании экспериментального анализа переходных функций, с использованием известных аналитических зависимостей и метода перебора, получена эквивалентная модель, разработанная применительно к системе управления, связывающая указанные входные величины с зависимостью Iм*(t). Модель представлена в виде структурной схемы, приведенной на рис. 4.

Рис. 4.Структурная схема неизменяемой части системы управления установки электронно-лучевой сварки

Входными величинами для объекта «сварочная ванна» являются: ток пучка Iп, ускоряющее напряжение Uу, скорость сварки Vсв. В качестве возмущающего воздействия рассматривается изменение толщины детали, задаваемой в виде параметра Hдет. Выходным параметром О1 является ток, проходящий через деталь Iм.

Исследования разработанной модели и сопоставление динамических характеристик объекта О1 «сварочная ванна» с экспериментальными данными подтвердили адекватность полученных результатов. Разработанная модель может применяться для разработки систем управления электронно-лучевых сварочных установок, использующих в качестве выходной величины ток, проходящий через детали в диапазоне ускоряющих напряжений 30 – 60 кВ, по токах луча 0 – 10 мА, толщин детали 0,1 – 1 мм и скоростей перемещения детали относительно луча 200 – 2000 мкм/с.

С использованием разработанных моделей элементов системы составлена полная модель, структурная схема которой приведена на рис. 4. Показано, что основным условием, обеспечивающим решение поставленной задачи стабилизации геометрических параметров сварного шва, является разработка и исследование алгоритма выделения сигнала обратной связи и поиск критериев рабочего режима сварки. Разработан оригинальный алгоритм выделения сигнала обратной связи по кривой тока, проходящего через деталь, который был положен в основу предложенной системы импульсного регулирования теплового режима сварочной ванны.

Разработана импульсная система регулирования режима сварочной ванны, структурная схема которой приведена на рис. 5, и приводится методика выбора параметров элементов и настройки системы.

Рис. 5. Структурная схема релейной системы управления тепловым режимом сварочной ванны

Третья глава посвящена исследованию разработанной системы управления на модели, составленной в пакете прикладных программ Mathlab/Simulink (рис. 6). Проведены исследования режимов пуска системы, а также влияния на точность регулирования таких воздействий как: изменения амплитуды тока луча и частоты его модуляции, величины ускоряющего напряжения, толщины свариваемых деталей и скорости перемещения изделия относительно луча, которые подтвердили работоспособность системы и возможность компенсации возмущающих воздействий с точностью не менее 3-4%.

Рис. 6. Блок-схема компьютерной модели системы

В четвертой главе описана методика экспериментальных исследований электронной пушки, сварочной ванны и системы в целом.

Разработана методика экспериментального определения модели трехэлектродной электронной пушки. На рис. 7. приведена схема измерения электрических параметров на электронно-лучевом агрегате ЭЛА-60/15.

Для определения зависимости между тепловым режимом сварочной ванны и током в изделии, были проведены экспериментальные исследования на установке микросварки типа ЭЛУРО-М. Схема экспериментального стенда приведена на рис. 8.

Рис. 7. Схема измерения электрических параметров электронной пушки

Рис. 8. Схема измерения тока, проходящего через детали, и тока луча на установке ЭЛУРО-М.

1 образец, 2 фиксатор, 3 корпус датчика, 4 медная пластина,

5 цилиндр Фарадея, 6 керамические изоляторы,

7 экранированные проводники

Приведенная схема измерения позволяет регистрировать ток, проходящий чрерз детали Iм, являющийся выходным сигналом сварочной ванны (Вход1, сигнал Iм*) и ток пучка Iп (Вход2, сигнал Iп*), представляющий собой входной сигнал. Измерения проводились для режимов импульсного и непрерывного воздействия электронного луча на образцы из стали 12Х18Н10Т толщиной от 0.1 до 1 мм. Типовая осциллограмма тока Iм*, проходящего через образец, и тока пучка Iп* при неуправляемом режиме прецизионной сварки на установках рассматриваемого класса, приведена на рис. 9.

Исследования показали, что наличие спадающего участка во временной зависимости сигнала тока Iм* (на рис. 9 временной интервал 50-250 мкс), характеризует так называемый «мягкий» режим плавления, без интенсивного парообразования и выброса металла, что обеспечивает желаемые параметры шва. Количественная связь величины тока, проходящего через деталь, с параметрами шва устанавливалась на основании геометрических показателей сварного соединения, в частности, ширины шва.

Проведены экспериментальные исследования влияния тока луча, скорости перемещения образца и его толщины на характеристику тока, проходящего чрез образец. Выявлены основные закономерности, влияющие на положение характерных участков временной зависимости тока, стекающего с детали, количественная оценка которых позволила определить модель сварочной ванны.

На основании результатов исследований предложена комбинированная реализация системы, в которой стабилизаторы тока луча, ускоряющего напряжения и тока накала катода выполняются в виде аналоговых схем, функционально встроенных в соответствующие источники питания, имеющих внешнее аналоговое управление, а управляющее устройство реализовано на базе промышленной ЭВМ. Проведены экспериментальные исследования системы управления тепловым режимом сварочной ванны в режимах пуска при различных значениях тока луча, а также изменении скорости сварки и толщины детали. На рис. 10 приведены осциллограммы токов луча Iп и тока, проходящего через деталь Iм, иллюстрирующие работу системы управления в режиме пуска при сварке предварительно непрогретой цилиндрической детали из циркониевого сплава диаметром 4 мм с толщиной стенки 0,2 мм.

а

б в

Рис. 10. Экспериментальное исследование системы управления режимом сварочной ванны: осциллограммы тока управляющего сигнала, тока луча и тока, стекающего с детали, рассчитанные на модели системы (а); осциллограммы тока, стекающего с детали, полученные экспериментально (б); фотография полученного сварного шва (в)

Осциллограмма на рис. 10, а получена на модели системы рис. 6, а осциллограмма на рис. 10, б получена экспериментально на электронно-лучевой установке. На рис. 10, в приведена фотография свариваемой детали, доказывающая неизменность по длине детали ширины сварного шва. Приведенные на рис. 10, а и б осциллограммы подтверждают функционирование предложенной системы управления и адекватность разработанной модели.

В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
  1. На основании анализа особенностей технологии прецизионной ЭЛС сформулированы требования к основным элементам технологического оборудования: электронно-оптической колонне, источникам электропитания, манипуляторам, вакуумной системе. На основе предложенной классификации сделан вывод о целесообразности разработки системы управления тепловым режимом сварочной ванны.
  2. Обоснована целесообразность построения системы импульсного управления параметрами сварного шва по сигналу тока, проходящего через деталь в процессе воздействия на нее электронного луча, и предложен алгоритм выделения сигнала обратной связи.
  3. Разработана модель системы управления тепловым режимом сварочной ванны, представленная в виде структурной схемы, позволяющая проводить компьютерный анализ и синтез системы в диалоговом режиме.
  4. На основе экспериментальных исследований на установке электронно-лучевой сварки, выявлена взаимосвязь между количественными соотношениями и временными показателями сигнала тока, стекающего с детали (амплитудой, крутизной фронтов), температурой сварочной ванны и геометрическими параметрами шва. Определен интервал и показатели временной зависимости тока Iм*, определяющие желаемые геометрические параметры сварного соединения в установках прецизионной электронно-лучевой сварки.
  5. Разработан оригинальный алгоритм адаптивного управления качеством сварного шва, реализуемый в импульсной системе по сигналу тока, проходящего через деталь.
  6. На основании аналитических и экспериментальных исследований доказана реализуемость предложенной системы и возможность достижения требуемых технологических показателей сварного соединения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Щербаков А.В. Разработка системы управления качеством сварного шва при прецизионной электронно-лучевой сварке // Вестник МЭИ. 2007. №5. С. 52-58.
  2. Щербаков А.В., Рубцов В.П. Разработка модели электронной пушки для прецизионной сварки // Вестник МЭИ. 2007. №4. С. 60-65.
  3. Козлов А.Н., Гайдукова И.С., Уваев А.Г., Щербаков А.В., Филачев А.М. Вакуумное технологическое оборудование для производства изделий микрофотоэлектроники // Прикладная физика. 2006. №3. С. 32-37.
  4. Козлов А.Н., Гринфельд Д.Э., Щербаков А.В., Филачев А.М. Автоматизированный контроль технологических параметров вакуумного оборудования как обеспечение непрерывного контроля качества // Прикладная физика. 2006. №3. С. 38-45.
  5. Щербаков А.В. Проблемы автоматизации современной электронно-лучевой сварочной аппаратуры // Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тез. докл, Т.2. – М.: МЭИ, 2007. – С. 185-186.
  6. Щербаков А.В. Разработка системы управления тепловой мощностью прецизионной электронно-лучевой сварки // Восьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». Тез. докл. – М.: ФГУП «НПО «Орион», 2007. – С. 90-91.
  7. Щербаков А.В., Гринфельд Д.Э. Математическое моделирование тепловых, газодинамических и эмиссионных процессов взаимодействия электронного пучка с металлами // Восьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». Тез. докл. – М.: ФГУП «НПО «Орион», 2007. – С. 100-101.
  8. Щербаков А.В., Козлов А.Н., Уваев А.Г. и др. Современное технологическое оборудование для электронно-лучевой сварки // Восьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». Тез. докл. – М.: ФГУП «НПО «Орион», 2007. – С. 81-82.
  9. Щербаков А.В. Разработка регулятора тока луча в системе автомати-ческого управления электронно-лучевой сваркой // Одиннадцатая Междуна-родная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехни-ческие материалы и компоненты». Тр. – М.: МЭИ, 2006., часть 2. – С. 118-119.
  10. Щербаков А.В., Козлов А.Н., Уваев А.Г., Гринфельд Д.Э. Автоматизация технологического процесса электронно-лучевой сварки // Девятнадцатая Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Тез.
    Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»